The establishment of aging clocks based on age-associated changes in DNA methylation has highlighted the strong link between epigenetic alterations and aging. However, the connection between DNA methylation changes at clock sites and their effect on cellular function remains unclear. We hypothesize that chromatin accessibility, a readout that integrates multiple epigenetic mechanisms, may connect epigenetic changes with downstream biological effects. To investigate this hypothesis, we generated chromatin accessibility profiles from peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of 157 human donors and construct a novel aging clock with a median absolute error on prediction of 5.69 years. Moreover, by comparing our chromatin accessibility data to matched transcriptomic profiles, we show that the genomic sites selected for the prediction of age based on chromatin accessibility undergo transcriptional changes during aging. This chromatin accessibility clock could therefore be used to investigate the direct effect of aged epigenetic states on cellular function.

Abstract Transposable elements (TEs) are DNA sequences that expand selfishly in the genome, possibly causing severe cellular damage. While normally silenced, TEs have been shown to activate during aging. DNA methylation is one of the main mechanisms by which TEs are silenced and has been used to train highly accurate age predictors. Yet, one common criticism of such predictors is that they lack interpretability. In this study, we investigate the changes in TE methylation that occur during human aging. We find that evolutionarily young LINE1s (L1s), the only known TEs capable of autonomous transposition in humans, undergo the fastest loss of methylation, suggesting an active mechanism of de-repression. We then show that accurate age predictors can be trained on both methylation of individual TE copies and average methylation of TE families genome wide. Lastly, we show that while old L1s gradually lose methylation during the entire lifespan, demethylation of young L1s only happens late in life and is associated with cancer.

Abstract Unlike aged somatic cells, which exhibit a decline in molecular fidelity and eventually reach a state of replicative senescence, pluripotent stem cells can indefinitely replenish themselves while retaining full homeostatic capacity. The conferment of beneficial-pluripotency related traits via in vivo partial cellular reprogramming (IVPR) significantly extends lifespan and restores aging phenotypes in mouse models. Although the phases of cellular reprogramming are well characterized, details of the rejuvenation processes are poorly defined. To understand whether epigenetic reprogramming can ameliorate DNA damage, we created reprogrammable accelerated aging mouse model with an ERCC1 mutation. Importantly, using enhanced partial reprogramming by combining small molecules with the Yamanaka factors, we observed potent reversion of DNA damage, significant upregulation of multiple DNA damage repair processes, and restoration of the epigenetic clock. In addition, we present evidence that pharmacological inhibition of ALK5 and ALK2 receptors in TGFb pathway is able to phenocopy some benefits including epigenetic clock restoration suggesting a role in the mechanism of rejuvenation by partial reprogramming.

Transposable elements (TEs) are DNA sequences that expand selfishly in the genome, possibly causing severe cellular damage. While normally silenced, TEs have been shown to activate during aging. DNA 5-methylcytosine (5mC) is one of the main epigenetic modifications by which TEs are silenced and has been used to train highly accurate age predictors. Yet, one common criticism of such predictors is that they lack interpretability. In this study, we investigate the changes in TE 5mC methylation that occur during aging in human blood using published methylation array data. We find that evolutionarily young long interspersed nuclear elements 1 (L1s), the only known TEs capable of autonomous transposition in humans, undergo the fastest loss of 5mC methylation, suggesting an active mechanism of de-repression. The same young L1s also showed preferential gain in chromatin accessibility but not expression. The long terminal repeat retrotransposons THE1A and THE1C also showed very rapid 5mC loss. We then show that accurate age predictors can be trained on both 5mC methylation of individual TE copies and average methylation of TE families genome wide. Lastly, we show that while old L1s gradually lose 5mC during the entire lifespan, demethylation of young L1s only happens late in life and is associated with cancer. Transposable elements activate during aging with negative consequences. Morandini et al. show that transposons show rapid loss of methylation in peripheral blood mononuclear cells during aging and that models trained on transposon methylation accurately predict age.